鋁合金無鉻轉化膜防護性能的檢測及研究

摘 要：本文研究了針對鋁合金零件采用以硝酸銅（Cu（NO3）23H2O、高錳酸鉀KMnO4為主體的無鉻轉化膜，以轉化膜防護性能為目標，進一步研究其膜層成分、生成機理，并針對轉化膜層的耐蝕性、附著性、耐磨性等進行測試實驗，以檢測該轉化膜層的防護性能。

關鍵詞：無鉻;轉化膜;防護性

中圖分類號：TG174.45

文獻標識碼： A

鋁合金表面著色技術主要用于解決鋁合金零件表面防護性和裝飾性或消光處理等問題[1]。其中，基于無機鹽化學轉化方法獲得的表面防護性膜層，能很好地解決在批量生產中零件難于掛極進行電解氧化處理的問題，并且也適用于儀器、儀表、汽車等設備的外觀裝飾性要求[2]。

在前期的研究中，在常溫下已經獲得一種黑色無鉻無機鹽轉化膜[3]。本文在上述成膜技術的基礎上，結合表面技術分析制備工藝對轉化膜的影響，進而探討膜層成分和生成機理。采用腐蝕試劑進行點滴試驗，對膜層耐酸、耐堿和耐中性鹽的腐蝕能力進行測試，采用劃痕法和摩擦法對膜層的結合力以及耐磨性進行測試，以檢測該轉化膜層的綜合防護性能。

研究結果表明，這種在常溫下實現著色的無鉻轉化膜，色澤純正均勻，工藝綠色節(jié)能，適合批量生產，且膜層有良好的結合力，具有較強的耐磨性和一定的耐蝕性。本項研究具有良好的學術研究價值和生產應用空間。

1 膜層分析

1.1 工藝方案

配置的反應水溶液為：15 g/L高錳酸鉀（KMnO4） 、4 mL硝酸（HNO3）d=1.40、25 g/L硝酸銅（Cu（NO3）23H2O，在室溫條件下間歇緩慢攪動鋁合金試件零件，使其表面反應充分，并保持反應時間為12 h，之后漂洗烘干。

1.2 成膜機理

硝酸銅作為反應溶液中的活化劑，將鋁合金表面的氧化膜部分溶解，使其產生一定的孔隙，讓基體上的鋁與著色溶液得以接觸并反應，并不斷析出單質金屬銅，反應式如式（1）所示：

3Cu（NO3）2+ 2Al= 2Al（NO3）3+3Cu。 （1）

反應溶液中的高價錳離子在高錳酸鉀強氧化作用下，被還原成底價錳，表面析出的銅同時被氧化成黑色氧化銅，反應式如式（2）所示：

2KMnO4+ 2Cu= K2MnO4+MnO2+2CuO。（2）

成膜的過程中鋁合金表面的顏色由白轉黃并加深變紅，后變棕最后呈黑色，即是CuO本色，也證實了上述黑色轉化膜的形成原理。

2 膜層防護性能檢測實驗

2.1 膜層耐蝕性實驗

實驗采用制備酸性點液，對色膜進行點滴試驗，檢測其耐蝕性能。在膜層表面點滴試劑，或將試件置于試驗溶劑中，在確定的時間內，觀察膜層的表面被腐蝕變化的情況，判斷膜層是否完整，是否有褪色脫落現象，表面是否有明顯的腐蝕面，以此評價膜層耐蝕性的好壞。

1）耐酸腐蝕實驗

試驗溶液成為30 mL 5%鹽酸，2 g重鉻酸鉀，70 mL蒸餾水，實驗溫度為常溫，測試時間5 min。試驗結果：膜層表面未見明顯褪色，有少許白色的蝕點出現。圖1中（a）、（b）為耐酸實驗前后膜層表面放大400倍比對情況，結果表明表面膜層具有一定耐酸性。

2）耐堿腐蝕實驗

試驗溶液為4% NaOH溶液，實驗溫度為常溫，測試時間5 min。試驗結果：膜層顏色稍變淡，但基本完整，局部有較小腐蝕點。圖2中（a）、（b）為耐堿實驗前后膜層表面放大400倍比對情況，結果表明表面膜層具有一定耐堿性。

3）耐鹽腐蝕實驗

選擇中性5%氯化鈉（PH為6～7）的水溶液進行鹽霧試驗，試驗溫度為常溫，測定鹽霧為1.5 mL/90 cm2·h的沉降率，測試時間6 h。試驗結果：有一定數量白色蝕點出現，膜層比較完整。圖3中（a）、（b）為耐鹽實驗前后膜層表面放大400倍比對情況，結果表明表面膜層具有一定耐中性鹽的能力。

在上述對膜層耐酸、耐堿和耐中性鹽的腐蝕測試實驗中，膜層基本完整，表面有一定的蝕點出現，沒有出現嚴重的褪色脫落現象，表明該轉化膜層具有一定的綜合耐腐蝕能力，但隨著反應時間的延長，蝕點面積增大，腐蝕會隨之加劇。

2.2 膜層附著性實驗

實驗采用定性交叉劃痕檢驗法，用鋒利的刀刃，由膜層向基體方向劃交叉#痕，以1 mm間隔交叉劃痕后，在顯微鏡下放大100倍觀察膜層斷面在劃痕邊沿處是否有翹殼、脫落現象，以此評價附著性好壞。

2.3 膜層耐磨性實驗

選擇摩擦法進行耐磨性能的測試，具體采用200 g的摩擦橡皮，用橡皮在尺寸為30 mm的膜層上進行擦拭，摩擦恒壓施力，摩擦次數與膜層磨損效果應成正比例關系，摩擦一定次數后，觀察膜層磨損擦光的程度，以此評價耐磨性能的好壞。在經過恒壓摩擦200次后，膜層表面還未有明顯磨損顯光亮現象。而經歷500次后，膜層已出現較明顯的發(fā)亮現象。實驗結果表明，該轉化膜有一定的耐磨性，但隨著摩擦次數增加出現磨損現象，耐磨性能還需改善加強。

3 實驗結果分析

色膜表面由黑色氧化銅成膜，膜層不斷在反應中得以生長，厚度增加。膜層表面的被氧化產生的孔隙被堵塞，使膜層的孔隙率減小，可得到均勻、致密、附著良好的黑色轉化膜。

轉化膜層主要為銅離子，其電極電位為+0.34 v，高于鋁合金基體的-1.66 v[4]，在確保色膜的完整和致密性的前提下，可以獲得較好的陰極防護效應。實驗結果表明，其膜層都有較好的附著結合性和耐磨性，但隨反應時間增加出現蝕點現象，要提高膜層耐腐蝕性還應提出固化方案以改善其防護性能。

4 結論

研究結果表明，這種在常溫下實現著色的無鉻轉化膜，綠色節(jié)能，工藝簡單，可以實現批量生，且膜層有良好的結合性和耐磨性，有一定的耐蝕性。該鋁合金轉化膜層其防護性能可以滿足日常實際使用的需求，但也有進一步改善提高的研究空間。

參考文獻：

[1]余美瓊.鋁及鋁合金表面處理技術新進展[J].化學工程與裝備，2008（6）：84-88.

[2]李季，孫杰，安成強.鋁合金無鉻鈍化的研究進展[J].表面技術，2008，8（4）：59-62.

[3]陳素，周元康. 汽車刮水器鋁合金鉚釘的非陽極氧化著色研究[J]. 現代機械，2009（1）：48-52.

[4]梁志杰.現代表面鍍覆技術[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2005.

（責任編輯：曾 晶）